飛云江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及預(yù)警閾值分析

李景玉，繆慶旭，桑曉玉，孫鐵元

(1.浙江溫州甬臺(tái)溫高速公路有限公司 溫州市 325000;2.招商局重慶公路工程檢測(cè)中心有限公司 重慶市 400067)

0 引言

由于橋梁運(yùn)營(yíng)期內(nèi)安全、正常使用的要求，從上個(gè)世紀(jì)末開(kāi)始，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)便逐漸發(fā)展起來(lái)[1]。在一些建成的大跨度橋梁上安裝了各類的傳感器，進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和紀(jì)錄，以此保障橋梁的安全運(yùn)營(yíng)[2-3]。目前，橋梁健康監(jiān)測(cè)的積極作用已經(jīng)得到了各界的廣泛認(rèn)可，進(jìn)行橋梁健康監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)評(píng)估也是政府部門推動(dòng)下的必然發(fā)展趨勢(shì)[4]。采用科學(xué)、合理的監(jiān)測(cè)手段和盡量經(jīng)濟(jì)性的健康系統(tǒng)設(shè)計(jì)是橋梁監(jiān)測(cè)業(yè)界的普遍共識(shí)[5]。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用了傳感器[6]、信號(hào)采集[7]、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析[8]等眾多理論，這是有效預(yù)防災(zāi)難性事故、橋梁運(yùn)營(yíng)安全的重要保障[9]。

飛云江大橋是甬臺(tái)溫高速公路溫州甌海南白象至瑞安龍頭段的重要結(jié)構(gòu)物之一，大橋跨越飛云江，在2002年7月建設(shè)完工。飛云江大橋主跨為44m+3×80m+44m五孔連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁。為確保飛云江大橋的安全運(yùn)營(yíng)，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析，對(duì)其進(jìn)行橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)預(yù)警閾值進(jìn)行設(shè)定。

1 有限元分析

1.1 模型建立

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要對(duì)橋梁在荷載作用下結(jié)構(gòu)受力和變形有充分的了解。飛云江主橋結(jié)構(gòu)為44m+3×80m+44m變截面連續(xù)梁橋，利用有限元分析軟件Midas/Civil對(duì)主橋上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，結(jié)構(gòu)單元選擇為梁?jiǎn)卧?，全橋一共離散為354個(gè)單元、355個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元模型如圖1所示。

圖1 主橋有限元模型圖

1.2 結(jié)構(gòu)受力分析

為掌握橋梁運(yùn)行階段受力狀態(tài)，并為監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)位置的確定提供依據(jù)，對(duì)飛云江大橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析?？紤]到不同荷載情況下橋梁結(jié)構(gòu)受力變形的差異，對(duì)以下幾個(gè)荷載工況進(jìn)行計(jì)算分析：工況1：恒載作用；工況2：恒載+汽車荷載作用；工況3：恒載+汽車荷載+溫度荷載作用。分析得到不同荷載工況下橋梁應(yīng)力和變形情況。

根據(jù)不同荷載工況下的計(jì)算分析結(jié)果可知，恒載作用是飛云江大橋結(jié)構(gòu)受力和變形的主要因素，汽車荷載和溫度荷載對(duì)結(jié)構(gòu)受力變形也有較大影響。不同工況下結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)有一定的相似性，三種荷載工況下結(jié)構(gòu)第2跨～第4跨均有較大的向下豎向位移，最中間跨第3跨跨中截面位置在工況1～工況3作用下豎向位移分別為-20.2mm、-32.2mm、-50.9mm。全橋最大位移在第2跨、第4跨跨中截面位置，工況1～工況3作用下的最大位移分別為-27.6mm、-39.6mm、-64.4mm。由于多跨連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)特性，結(jié)構(gòu)邊跨在全橋荷載作用下有向上的豎向位移，最大向上豎向位移在邊跨跨中位置，工況1～工況3作用下最大位移分別為16.8mm、19.4mm、35.7mm。不同工況下全橋各截面最大應(yīng)力的變化有所差異，但最大應(yīng)力截面位置都出現(xiàn)在邊跨跨中位置，工況3作用下邊跨跨中達(dá)到最大應(yīng)力值14.7MPa。

徐變是在持續(xù)荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)變形隨時(shí)間推移而增加的現(xiàn)象，徐變作用對(duì)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的受力變形有著很大的影響。由于飛云江大橋已運(yùn)行年限較久，考慮到其受混凝土收縮徐變的影響，利用有限元模擬成橋20年飛云江大橋運(yùn)行情況。部分計(jì)算分析結(jié)果如圖2所示。由計(jì)算結(jié)果可知，收縮徐變作用對(duì)結(jié)構(gòu)受力和變形有著很大的影響。在收縮徐變作用下，主梁豎向位移有著顯著的增大，中間三跨的豎向位移增大尤為明顯，第2～4跨跨中位移從橋梁建成初期的-57.1mm、-54.4mm、-56.8mm分別增大至-163.6mm、146.5mm、163.1mm，最大豎向位移變化為最初變形值的3倍左右。

圖2 徐變下主梁撓度

2 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力變形分析結(jié)果易知，應(yīng)對(duì)主梁豎向位移以及各跨跨中截面位置進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，然后考慮飛云江大橋運(yùn)行狀態(tài)、橋型、環(huán)境因素，遵循經(jīng)濟(jì)性原則，最終確定飛云江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)位置。飛云江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)包括主梁應(yīng)變、主梁豎向變形和溫濕度。各個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)測(cè)點(diǎn)位置分布如圖3所示。各截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位置及序號(hào)編排如圖4所示。監(jiān)測(cè)項(xiàng)測(cè)點(diǎn)數(shù)量與傳感器類型如表1所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)位置分布圖

圖4 各截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位置及序號(hào)編排圖

表1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)數(shù)量

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

飛云江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由六個(gè)子系統(tǒng)組成，分別是傳感子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與預(yù)警子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估子系統(tǒng)、用戶界面子系統(tǒng)。飛云江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示。

圖5 飛云江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.2.1傳感子系統(tǒng)

傳感子系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)和來(lái)源，由各類傳感器和一些附屬設(shè)備構(gòu)成。目前，國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)廠家眾多，傳感器型號(hào)多樣，技術(shù)性能有很大差異。因此，在傳感器的選擇上必須遵循以下原則：

(1)可靠性。監(jiān)測(cè)傳感器的精度、量程、靈敏度、頻率響應(yīng)等技術(shù)指標(biāo)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和儀器系列型譜的相關(guān)要求。

(2)耐久性。選擇的傳感器需能夠在橋址復(fù)雜環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

(3)經(jīng)濟(jì)性。傳感器及其配套儀表具有高性價(jià)比和實(shí)用性。

(4)可更換性。橋梁的監(jiān)測(cè)期很長(zhǎng)，所安裝的傳感器都有可能面臨更換的問(wèn)題，因此，傳感器必須能夠更換且滿足更換時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

2.2.2數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)有線或無(wú)線的方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)系統(tǒng)中，這是后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、虛擬監(jiān)控中心、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和相關(guān)軟件四個(gè)部分。這四個(gè)部分的設(shè)計(jì)與傳感子系統(tǒng)有很大的聯(lián)系，傳感器的輸出信號(hào)類型決定了采集模塊的類型，傳感器的布設(shè)位置決定了數(shù)據(jù)采集站的分布，從而進(jìn)一步影響到采集與傳輸軟件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，詳見(jiàn)表2。

表2 傳感器信號(hào)分析及采集設(shè)備選擇

2.2.3數(shù)據(jù)處理與預(yù)警子系統(tǒng)

在橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行期內(nèi)會(huì)采集大量的數(shù)據(jù)，隨著時(shí)間的累積，采集的數(shù)據(jù)量也是非常巨大的。數(shù)據(jù)處理與預(yù)警子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理和預(yù)警兩個(gè)部分組成。數(shù)據(jù)處理部分主要是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作，對(duì)監(jiān)測(cè)的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、篩選，再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)挖掘等。預(yù)警部分可以根據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的閾值信息，對(duì)異常情況進(jìn)行在線預(yù)警。

2.2.4數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所有相關(guān)數(shù)據(jù)的歸檔、查詢、儲(chǔ)存。相關(guān)數(shù)據(jù)主要包括橋梁設(shè)計(jì)資料、橋梁施工資料、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)預(yù)警評(píng)估數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)需達(dá)到以下技術(shù)目標(biāo)：

(1)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)控制、篩選、二次處理。

(2)各類數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存工具和場(chǎng)所與數(shù)據(jù)類型相匹配，具有與采集、預(yù)處理、后續(xù)處理要求適應(yīng)的分布式數(shù)據(jù)儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)。

(3)支持部分特殊數(shù)據(jù)的單獨(dú)儲(chǔ)存功能。

(4)必須支持?jǐn)?shù)據(jù)的備份和恢復(fù)。

2.2.5結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估子系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估子系統(tǒng)是橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重要的組成部分，通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，確定橋梁的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，判斷橋梁是否在安全運(yùn)營(yíng)的范圍內(nèi)，對(duì)于異常狀態(tài)和潛在問(wèn)題存在時(shí)，提前告知橋梁相關(guān)管理養(yǎng)護(hù)人員，進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)工作。結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估子系統(tǒng)要達(dá)到的基本目標(biāo)如下：

(1)具有合理的結(jié)構(gòu)評(píng)估方法和標(biāo)準(zhǔn)。

(2)能夠提供全面而又規(guī)范的定期評(píng)估報(bào)告。

(3)結(jié)構(gòu)評(píng)估結(jié)果可以有效幫助到橋梁運(yùn)營(yíng)管理養(yǎng)護(hù)決策。

2.2.6用戶界面子系統(tǒng)

用戶界面子系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)各類人員與橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)交互的平臺(tái)，見(jiàn)圖6。利用用戶界面子系統(tǒng)可以滿足用戶的各種需求，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等內(nèi)容實(shí)時(shí)向用戶進(jìn)行展示，并提供特定數(shù)據(jù)的輸入與輸出的功能。由于用戶界面子系統(tǒng)的功能目的，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定、美觀、操作簡(jiǎn)單、精煉簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)。用戶界面子系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能主要有以下幾個(gè)部分：

(1)根據(jù)用戶需求，向用戶提供操作和管理平臺(tái)賬號(hào)，使用戶能夠遠(yuǎn)程查詢監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等內(nèi)容。

(2)根據(jù)橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，生成橋梁評(píng)估結(jié)果和監(jiān)測(cè)報(bào)告等文件。

圖6 用戶交互平臺(tái)

3 預(yù)警閾值分析

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)警閾值設(shè)定是橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，各個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目預(yù)警閾值的設(shè)定是否合理對(duì)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)警準(zhǔn)確性有著很大的影響。不合理的預(yù)警閾值可能造成資源的浪費(fèi)，甚至安全事故的發(fā)生。通過(guò)有限元模擬分析，并結(jié)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定預(yù)警閾值，以此保證預(yù)警閾值的合理性。

3.1 有限元模擬

在本文第二章有限元模型的基礎(chǔ)上模擬溫度和汽車荷載作用，確定全橋應(yīng)力和撓度變化情況。為確定最合理的預(yù)警閾值，盡可能模擬橋梁真實(shí)運(yùn)營(yíng)情況，溫度荷載根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的極值確定，溫度荷載為整體升降溫15℃，梯度升溫為20℃、6.67℃，梯度降溫為-10℃、-3.35℃。汽車荷載以最大車道線進(jìn)行布載，車輛荷載中均布荷載為10.5kN/m，集中荷載為360kN。有限元分析計(jì)算得到部分結(jié)果如圖7所示。

圖7 溫度和汽車荷載作用下主梁撓度

3.2 閾值設(shè)定

根據(jù)有限元分析計(jì)算結(jié)果和部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)主梁豎向位移和應(yīng)變兩個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)進(jìn)行閾值設(shè)定。由有限元模擬計(jì)算結(jié)果可以得到各個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)測(cè)點(diǎn)在溫度和汽車荷載作用下的極差，計(jì)算分析得到的應(yīng)變各測(cè)點(diǎn)和主梁豎向位移各測(cè)點(diǎn)極差結(jié)果。從飛云江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中提取2022年7月22日至2022年8月21日期間主梁豎向位移和應(yīng)變監(jiān)測(cè)項(xiàng)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的全部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并計(jì)算得到兩個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的變化極差如圖8、圖9所示，測(cè)點(diǎn)序號(hào)編排方式見(jiàn)表1。

圖8 應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖9 撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

由計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果可知，應(yīng)變監(jiān)測(cè)項(xiàng)各測(cè)點(diǎn)計(jì)算極差和監(jiān)測(cè)極差最大值分別是485με、115με，主梁豎向位移各測(cè)點(diǎn)計(jì)算極差和監(jiān)測(cè)極差最大值分別是65.5mm、13.8mm。總體來(lái)說(shuō)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)有限元模擬計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)值，這種差異主要有兩方面的原因，最主要的原因是橋梁實(shí)際所受荷載是遠(yuǎn)小于有限元模擬計(jì)算所施加的荷載，有限元模擬時(shí)所施加的荷載是按橋梁可能所受最大荷載施加；另外，由于橋梁實(shí)際運(yùn)營(yíng)年限較久，材料性能和部分結(jié)構(gòu)的變化，這也使得有限元方法不能完全真實(shí)地模擬橋梁實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況。為保證飛云江大橋運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)安全，需綜合考慮實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元分析結(jié)果，對(duì)主梁豎向位移和應(yīng)變?cè)O(shè)定預(yù)警閾值，參考《公路橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JT/T 1037—2022)和《建筑與橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50982—2014)中報(bào)警閾值相關(guān)內(nèi)容，分別基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元模擬計(jì)算結(jié)果設(shè)定一級(jí)預(yù)警值和二級(jí)預(yù)警值，最終確定飛云江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各監(jiān)測(cè)項(xiàng)兩級(jí)預(yù)警指標(biāo)。部分關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)預(yù)警閾值設(shè)定如表3、表4所示。

表3 各跨跨中撓度預(yù)警閾值

表4 第三跨跨中應(yīng)變預(yù)警閾值

4 結(jié)語(yǔ)

進(jìn)行橋梁健康監(jiān)測(cè)是保障橋梁運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)安全和正常運(yùn)營(yíng)的重要措施，也是目前工程界普遍認(rèn)為的發(fā)展趨勢(shì)。合理、科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的發(fā)展有著重要的意義。飛云江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮了橋梁本身運(yùn)營(yíng)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并遵循了科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)性等原則，其監(jiān)測(cè)項(xiàng)預(yù)警閾值的設(shè)定也綜合考慮了結(jié)構(gòu)分析結(jié)果和前期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。目前，飛云江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在穩(wěn)定的運(yùn)行當(dāng)中，這對(duì)于飛云江大橋運(yùn)營(yíng)安全、結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估有著重要的意義。